FR3118261A1 - Procédé et dispositif d’aide au guidage d’aéronefs - Google Patents
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Abstract
La présente invention propose un procédé et un dispositif pour assister un pilote dans la gestion du vol, en lui permettant d’anticiper des situations de risque de collision avec un autre avion ou avec le sol, ou d’anticiper un risque de déviation de trajectoire. Figure pour l’abrégé : Fig.3e
Description
Domaine de l’invention
L’invention est dans le domaine technique des systèmes de gestion du vol, et concerne plus particulièrement un procédé et un système d’aide au guidage d’aéronef.
Etat de la Technique
Les aéronefs actuels présentent trois niveaux d'équipements de pilotage :
- un premier niveau d'équipements constitué des commandes de vol agissant directement sur les gouvernes et les moteurs ;
- un deuxième niveau d'équipements constitué du pilote automatique et/ou du directeur de vol agissant sur les commandes de vol, directement pour le pilote automatique ou par l'intermédiaire du pilote pour le directeur de vol, pour asservir l'aéronef sur un paramètre de vol tel que par exemple, cap, roulis, tangage, altitude, vitesse, etc.. ; et
- un troisième niveau d'équipements constitué du calculateur de gestion du vol connu sous le sigle FMS tiré de l'expression anglo-saxonne "Flight Management System" capable d'élaborer un plan de vol et d'agir sur le pilote automatique ou le directeur de vol pour le faire suivre par l'aéronef.
- un premier niveau d'équipements constitué des commandes de vol agissant directement sur les gouvernes et les moteurs ;
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Le calculateur de gestion du vol FMS, appelé dans la suite calculateur de vol FMS ou FMS, a entre autres fonctions principales, l'élaboration et le suivi automatique d'un plan de vol, un plan de vol étant constitué de trajectoires latérales et verticales que doit emprunter l'aéronef pour aller de la position courante en vol qu'il occupe à sa destination, ainsi que de vitesses de parcours de ces trajectoires.
L'élaboration d'un plan de vol se fait entre autre, à partir de points de passage imposés ou « waypoints » en anglais, éventuellement associés à des contraintes de temps, d'altitude, de vitesse et de consommation. Ces points imposés de passage et leurs contraintes associées sont introduits, dans le calculateur de vol FMS, par un opérateur de l'aéronef, par exemple un membre d'équipage de l'aéronef, au moyen d'un équipement du poste de pilotage à clavier et écran assurant l'interface homme-machine. L'élaboration du plan de vol proprement dite, consiste à construire les trajectoires latérales et verticales du plan de vol à partir d'un enchaînement de segments de vol ou « Legs » en anglais. Le plan de vol part d'un point de départ, passe par des points de passage imposés et aboutit à un point d'arrivée, en respectant des règles normalisées de construction et en tenant compte de contraintes de temps, d'altitude et de vitesse éventuellement associées à chaque point passage. Le plan de vol définit donc une trajectoire dite de référence ou trajectoire planifiée, qui serait la trajectoire volée si l’ensemble des contraintes de la procédure étaient respectées.
Lors de la réalisation d'un vol d'aéronef, le FMS joue un rôle central dans la maîtrise de la trajectoire. Il est le centre névralgique de cette conduite. Lors d'une navigation réalisée sous la conduite du FMS, on parle d'une navigation en mode « managed » : le FMS contrôle le pilote automatique et éventuellement l'automanette.
Dans un aéronef équipé d’un FMS classique, le pilote peut observer la trajectoire que va voler l’avion usuellement calculée selon des hypothèses prenant en compte l’état courant avion. L’avantage est que le pilote sait ainsi exactement ce que va faire l’avion et il n’y a pas de surprise en termes de guidage, par contre l’inconvénient est qu’il ne sait pas si ce qu’il va faire est conforme à ce qui était initialement attendu par la procédure et/ou le contrôle aérien, et le pilote ne peut pas challenger cette trajectoire calculée par rapport à la trajectoire de référence ou selon « l’esprit papier » de la procédure.
En conséquence, le pilote peut laisser l’avion voler parfaitement sur la trajectoire calculée, quand bien même celle-ci sortirait de l’espace initialement prévu par la procédure, typiquement à cause d’une consigne manuelle de vitesse trop élevée. Il pourrait s’ensuivre alors un risque sur le trafic aérien, ou un conflit terrain ou encore une nuisance sonore non souhaitable pour les populations.
Pour résoudre ce problème, le pilote garde à proximité la procédure papier publiée, et régulièrement il vérifie la trajectoire calculée par le FMS avec la procédure papier.
Cependant, cela demande un effort continu de la part du pilote et cela peut dissiper son attention de choses importantes. De plus, ce contrôle régulier entre la trajectoire affichée, calculée par le FMS et la trajectoire papier de référence alourdit la charge de travail du pilote. Dans une perspective d’avions à un seul pilote, cette charge de travail liée à la vérification perpétuelle de la trajectoire est un élément dimensionnant qu’il faut améliorer.
Il existe des systèmes pour lever en partie la charge de contrôle qui incombe au pilote, tels que :
- Le système de surveillance du niveau de performance de navigation réelle par rapport à la Performance de Navigation Requise (« Required Navigation Performance » RNP), qui vérifie que l’avion ne diverge pas de la trajectoire calculée (ce qui pourrait arriver en cas de transition à rayon contraint mais à vitesse excessivement inadaptée) ;
- Le système d'avertissement et d'alarme d'impact ou TAWS (de l'anglais « Terrain Awareness and Warning System ») destiné à prévenir les collisions avec le sol en vol piloté (vérifie que l’avion ne va pas aller percuter le terrain) ;
- Le système d'alerte de trafic et d'évitement de collision ou TCAS (de l’anglais « Traffic alert and Collision Avoidance System » également appelé ACAS « Airborne alert and Collision Avoidance System » selon l'OACI), destiné à éviter les collisions en vol entre aéronefs (vérifie que la trajectoire selon le cap de l’avion ne va pas entrer en conflit ou risque de collision avec le cap d’autres avions).
L’ensemble de ces systèmes connus sont des systèmes réactifs, c’est-à-dire qu’ils alertent le pilote une fois que le danger est réel. Il n’est donc pas possible pour le pilote d’anticiper ce danger.
De plus, dans la plupart des cas où la trajectoire selon la procédure à suivre n’est pas proche des montagnes et n’est pas conforme à la RNP, une excursion prochaine de l’avion par rapport au corridor de la procédure publiée peut ne pas être détectée par ces différents systèmes.
Un autre inconvénient est que la déviation latérale calculée de l’avion (XTK de l’anglais « Cross Track Error ») est définie par rapport à la trajectoire latérale calculée par le FMS et non par rapport à la trajectoire de référence de la procédure, ce qui peut entraîner des erreurs de navigation par rapport à la procédure publiée qui ne sont pas détectées. Ainsi, par exemple, il est fréquent pour les compagnies aériennes de recevoir des plaintes pour non-respect des nuisances sonores liées à un survol de zones non prévues.
Aussi, il existe un besoin de systèmes et de procédés avancés permettant d’assister un pilote dans la gestion du vol dans de telles situations.
Un objet de la présente invention est de proposer un procédé pour assister un pilote dans la gestion du vol, en lui permettant d’anticiper des situations de risque de collision avec un autre avion ou avec le sol, ou de risque de déviation de trajectoire.
Un autre objet de l’invention est de proposer un dispositif qui comprend des moyens permettant de mettre en œuvre le procédé de l’invention.
Avantageusement, le dispositif et le procédé de l’invention permettent de fournir une information à un pilote ou à un équipage ou à un système de guidage, dans un temps qui est antérieur à la survenue d’une situation problématique, notamment celle où un aéronef va se trouver en écart d’une trajectoire prédéfinie, ou elle où un aéronef peut entrer en collision avec le terrain ou avec un autre aéronef.
De manière générale, l’invention consiste à calculer une trajectoire réelle prédite à court terme de l’aéronef (aussi appelée trajectoire réelle prédite immédiate) selon le mode de guidage en cours, et à la présenter au pilote en superposition, selon le cas:
- à la trajectoire de référence de l’aéronef, couplée à une zone de confinement (i.e. corridor de sécurité autour de la trajectoire planifiée) latérale RNP ou verticale VPPL (« Vertical Path Performance Limit » en anglais) ; ou
- à une trajectoire réelle d’un autre trafic proche identifié (qui ne suivrait pas sa trajectoire planifiée) ; ou
- à une zone de confinement d’une trajectoire planifiée d’un autre trafic proche identifié.
- à la trajectoire de référence de l’aéronef, couplée à une zone de confinement (i.e. corridor de sécurité autour de la trajectoire planifiée) latérale RNP ou verticale VPPL (« Vertical Path Performance Limit » en anglais) ; ou
- à une trajectoire réelle d’un autre trafic proche identifié (qui ne suivrait pas sa trajectoire planifiée) ; ou
- à une zone de confinement d’une trajectoire planifiée d’un autre trafic proche identifié.
Avantageusement, le procédé de l’invention permet grâce à un mode de calcul propagé vers l’avant, aussi désigné comme calcul de « predictions forward », de calculer la trajectoire immédiate qui va être réellement volée par l’avion.
Avantageusement, le mode de calcul propagé vers l’avant permet de générer une trajectoire prédite court terme réelle qui, par l’affichage en superposition avec une autre trajectoire, permet au pilote d’avoir visuellement pleinement conscience de situations à risque à venir. Il peut ainsi par exemple visualiser de manière claire et immédiate, les points où l’avion va sortir du cadre qui était prévu par la procédure planifiée.
Avantageusement, le procédé de l’invention peut être mis en œuvre au sein du FMS permettant de déclencher une alerte pilote dès qu’un conflit court terme est détecté entre la trajectoire immédiate réelle prédite telle que calculée en « predictions forward » et, par exemple:
- une zone de confinement autour de la trajectoire planifiée (par excursion hors de la zone de confinement) ; ou
- une zone de sécurité autour de la trajectoire d’un trafic venant en sens inverse (i.e. si le TCAS est activé et en utilisant les pistes TCAS) ; ou
- une zone de confinement d’un autre trafic.
- une zone de confinement autour de la trajectoire planifiée (par excursion hors de la zone de confinement) ; ou
- une zone de sécurité autour de la trajectoire d’un trafic venant en sens inverse (i.e. si le TCAS est activé et en utilisant les pistes TCAS) ; ou
- une zone de confinement d’un autre trafic.
Pour obtenir les résultats recherchés, il est proposé un procédé d’aide au guidage d’aéronef pour un aéronef en vol dans un mode de guidage en cours et ayant une trajectoire de référence planifiée pour un plan de vol, le procédé étant opéré par une plateforme de calcul pour aéronef et comprenant au moins :
- une étape d’acquisition de variables courantes d’un aéronef en vol, les dites variables courantes comprenant au moins des variables d'état caractérisant l’état courant de l’aéronef, des variables d'environnement caractérisant l’environnement courant de l’aéronef et des variables de trajectoire caractérisant la trajectoire en cours de l’aéronef;
- une étape de calcul d’un corridor de sécurité autour de la trajectoire de référence de l’aéronef, ledit corridor de sécurité étant calculé sur plusieurs seuils prédéfinis pour au moins un axe de surveillance de l’aéronef, ledit au moins un axe de surveillance étant un axe latéral, un axe vertical, un axe de vitesse, un axe de temps ou un axe de consommation de carburant ;
- une étape de calcul de trajectoire réelle prédite immédiate, utilisant les dites variables courantes acquises et le mode de guidage en cours de l’aéronef, et basée sur un mode de calcul dit propagé vers l’avant du vol permettant de calculer des prédictions court terme; et
- une étape de configuration permettant de combiner les données de calcul de trajectoire et de corridor de sécurité, pour afficher en superposition sur un même écran de l’aéronef, la trajectoire de référence de l’aéronef en vol, ladite trajectoire réelle prédite immédiate et/ou ledit corridor de sécurité.
- une étape d’acquisition de variables courantes d’un aéronef en vol, les dites variables courantes comprenant au moins des variables d'état caractérisant l’état courant de l’aéronef, des variables d'environnement caractérisant l’environnement courant de l’aéronef et des variables de trajectoire caractérisant la trajectoire en cours de l’aéronef;
- une étape de calcul d’un corridor de sécurité autour de la trajectoire de référence de l’aéronef, ledit corridor de sécurité étant calculé sur plusieurs seuils prédéfinis pour au moins un axe de surveillance de l’aéronef, ledit au moins un axe de surveillance étant un axe latéral, un axe vertical, un axe de vitesse, un axe de temps ou un axe de consommation de carburant ;
- une étape de calcul de trajectoire réelle prédite immédiate, utilisant les dites variables courantes acquises et le mode de guidage en cours de l’aéronef, et basée sur un mode de calcul dit propagé vers l’avant du vol permettant de calculer des prédictions court terme; et
- une étape de configuration permettant de combiner les données de calcul de trajectoire et de corridor de sécurité, pour afficher en superposition sur un même écran de l’aéronef, la trajectoire de référence de l’aéronef en vol, ladite trajectoire réelle prédite immédiate et/ou ledit corridor de sécurité.
Selon des modes de réalisation alternatifs ou combinés :
- le procédé comprend de plus après l’étape de configuration, une étape de génération d’une alerte préventive, si à l’étape de configuration, la combinaison des données de calcul de trajectoire et de corridor de sécurité analyse un risque de rencontre à court ou moyen terme de ladite trajectoire réelle prédite immédiate avec ledit corridor de sécurité.
- le procédé comprend avant l’étape de configuration, une étape de comparaison de ladite trajectoire réelle prédite immédiate avec la trajectoire de référence pour ledit au moins un axe de surveillance, et dans lequel l’étape de configuration permet de plus d’afficher tout écart de ladite trajectoire réelle prédite immédiate avec la trajectoire de référence pour ledit au moins un axe de surveillance de l’aéronef.
- le procédé comprend avant l’étape de configuration, une étape d’analyse de ladite trajectoire réelle prédite immédiate par rapport à une trajectoire de référence d’un autre aéronef identifié, pour ledit au moins un axe de surveillance, et dans lequel l’étape de configuration permet de plus de combiner les données relatives à la trajectoire de référence de l’autre aéronef identifié et à sa zone de confinement, et d’afficher tout écart de ladite trajectoire réelle prédite immédiate de l’aéronef en vol avec la trajectoire de référence, pour ledit au moins un axe de surveillance, pouvant entrainer un risque de rencontre dudit aéronef en vol avec l’autre aéronef identifié.
- le procédé comprend avant l’étape de configuration, une étape d’analyse pour ledit au moins un axe de surveillance, de la trajectoire réelle prédite immédiate par rapport à une zone de survol dangereuse ou interdite, et dans lequel l’étape de configuration permet de plus d’afficher la zone de survol dangereuse ou interdite et d’afficher tout écart de la trajectoire réelle prédite immédiate avec la trajectoire de référence pour ledit au moins un axe de surveillance, pouvant entrainer un risque de rencontre dudit aéronef en vol avec la zone de survol dangereuse ou interdite.
- l’étape de calcul d’un corridor de sécurité consiste à calculer un corridor multidimensionnel de sécurité pour deux à cinq axes d’asservissement de l’aéronef en vol, notamment un axe latéral et/ou un axe vertical et/ou un axe de vitesse et/ou un axe de temps et/ou un axe de consommation de carburant.
- l’étape de calcul d’un corridor multidimensionnel de sécurité consiste à calculer à partir d’un ou de plusieurs seuils prédéfinis pour chaque axe de surveillance, un seuil multidimensionnel avec des pondérations variables pour chacun des axes de surveillance considérés pour le corridor multidimensionnel de sécurité.
- le procédé comprend de plus après l’étape de configuration, une étape d’envoi d’une alerte au pilote.
- le procédé comprend de plus après l’étape de configuration, une étape de génération d’une alerte préventive, si à l’étape de configuration, la combinaison des données de calcul de trajectoire et de corridor de sécurité analyse un risque de rencontre à court ou moyen terme de ladite trajectoire réelle prédite immédiate avec ledit corridor de sécurité.
- le procédé comprend avant l’étape de configuration, une étape de comparaison de ladite trajectoire réelle prédite immédiate avec la trajectoire de référence pour ledit au moins un axe de surveillance, et dans lequel l’étape de configuration permet de plus d’afficher tout écart de ladite trajectoire réelle prédite immédiate avec la trajectoire de référence pour ledit au moins un axe de surveillance de l’aéronef.
- le procédé comprend avant l’étape de configuration, une étape d’analyse de ladite trajectoire réelle prédite immédiate par rapport à une trajectoire de référence d’un autre aéronef identifié, pour ledit au moins un axe de surveillance, et dans lequel l’étape de configuration permet de plus de combiner les données relatives à la trajectoire de référence de l’autre aéronef identifié et à sa zone de confinement, et d’afficher tout écart de ladite trajectoire réelle prédite immédiate de l’aéronef en vol avec la trajectoire de référence, pour ledit au moins un axe de surveillance, pouvant entrainer un risque de rencontre dudit aéronef en vol avec l’autre aéronef identifié.
- le procédé comprend avant l’étape de configuration, une étape d’analyse pour ledit au moins un axe de surveillance, de la trajectoire réelle prédite immédiate par rapport à une zone de survol dangereuse ou interdite, et dans lequel l’étape de configuration permet de plus d’afficher la zone de survol dangereuse ou interdite et d’afficher tout écart de la trajectoire réelle prédite immédiate avec la trajectoire de référence pour ledit au moins un axe de surveillance, pouvant entrainer un risque de rencontre dudit aéronef en vol avec la zone de survol dangereuse ou interdite.
- l’étape de calcul d’un corridor de sécurité consiste à calculer un corridor multidimensionnel de sécurité pour deux à cinq axes d’asservissement de l’aéronef en vol, notamment un axe latéral et/ou un axe vertical et/ou un axe de vitesse et/ou un axe de temps et/ou un axe de consommation de carburant.
- l’étape de calcul d’un corridor multidimensionnel de sécurité consiste à calculer à partir d’un ou de plusieurs seuils prédéfinis pour chaque axe de surveillance, un seuil multidimensionnel avec des pondérations variables pour chacun des axes de surveillance considérés pour le corridor multidimensionnel de sécurité.
- le procédé comprend de plus après l’étape de configuration, une étape d’envoi d’une alerte au pilote.
L’invention concerne aussi un dispositif pour l’aide au guidage d’aéronef qui comprend une plateforme de calcul pour aéronef permettant de mettre en œuvre les étapes du procédé d’aide au guidage d’aéronef de l’invention.
Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend un écran d’affichage pour afficher le résultat de l’étape de configuration du procédé de l’invention.
Dans une variante de réalisation, le dispositif comprend de plus des moyens sonores pour émettre une alerte selon le résultat de l’étape de configuration du procédé de l’invention.
Dans un mode alternatif, le dispositif comprend de plus des moyens de communication pour transmettre vers un système externe à l’aéronef en vol, le résultat de l’étape de configuration du procédé de l’invention.
L’invention couvre aussi un système de gestion de vol (FMS) ou un système de calcul embarqué de type EFB qui comprend un dispositif d’aide au guidage d’aéronef selon l’invention.
L’invention concerne aussi un produit programme d’ordinateur qui comprend des instructions de code permettant d’effectuer les étapes du procédé de l’invention, lorsque le programme est exécuté sur un ordinateur.
Description des figures
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à l’aide de la description qui suit et des figures des dessins annexés dans lesquels :
La illustre une structure d’un système de gestion de vol (FMS) permettant d’implémenter le dispositif et le procédé de l’invention ;
La est un organigramme des principales étapes du procédé de l’invention ;
La illustre un exemple de trajectoire de référence d’un aéronef ;
La illustre un exemple de trajectoire de référence d’un aéronef avec un corridor latéral de sécurité ;
La illustre un exemple de trajectoire immédiate réelle prédite ;
La illustre un exemple d’affichage en superposition d’une trajectoire immédiate réelle prédite avec une trajectoire de référence, illustrant un risque de survol d’une zone interdite;
La illustre un exemple d’affichage en superposition d’une trajectoire immédiate réelle prédite avec un corridor latéral de sécurité d’une trajectoire de référence, illustrant un risque d’excursion hors du corridor et un risque de survol d’une zone interdite ; et
La illustre un exemple d’affichage en superposition de trajectoires et de zones de confinement illustrant différents risques de collision.
Description détaillée de l’invention
La illustre une structure d’un système de gestion de vol permettant d’implémenter le procédé de l’invention dans un mode de réalisation. Par exemple, le système peut être un système de gestion de vol de type FMS (100), comprenant les composants adaptés pour réaliser les fonctionnalités connues et intégrant de plus un module de calcul (140) configuré pour mettre en œuvre le procédé de l'invention.
Un système connu de type FMS dispose d'une interface homme-machine (120) comprenant par exemple un clavier et un écran d'affichage, ou bien simplement un écran d'affichage tactile, ainsi que des modules permettant de réaliser au moins les fonctions suivantes:
- Navigation (LOCNAV) (101), pour effectuer la localisation optimale de l’aéronef en fonction des moyens de géolocalisation (130) tels que le géo-positionnement par satellite ou GPS, GALILEO, les balises de radionavigation VHF, les centrales inertielles. Ce module communique avec les dispositifs de géolocalisation ;
- Plan de vol (FPLN) (102), pour saisir les éléments géographiques constituant le squelette de la route à suivre, tels que les points imposés par les procédures de départ et d’arrivée, les points de cheminement, les routes aériennes (« airways » selon la dénomination anglo-saxonne) ;
- Base de données de navigation (NAVDB) (103), pour construire des routes géographiques et des procédures à partir de données incluses dans les bases relatives aux points, balises, legs d’interception ou d’altitude ;
- Base de données de performance, (PERFDB) (104), contenant des paramètres de performances aérodynamiques et moteurs de l’appareil ;
- Trajectoire (TRAJ) (105), pour construire, calculer une trajectoire 4D optimisée et continue, à partir des points du plan de vol et des contraintes associées, respectant les performances de l'aéronef et les contraintes de confinement (RNP) ;
- Prédictions (PRED) (106), pour fournir les prédictions (altitude, temps, fuel) sur tous les points du plan de vol ;
- Guidage (GUID) (107), pour fournir des commandes permettant de guider l’aéronef le long du plan latéral, du profil vertical et du profil de vitesse ;
- Liaison de données numériques (DATALINK) (108) pour communiquer avec les centres de contrôle et les autres aéronefs (109).
- Navigation (LOCNAV) (101), pour effectuer la localisation optimale de l’aéronef en fonction des moyens de géolocalisation (130) tels que le géo-positionnement par satellite ou GPS, GALILEO, les balises de radionavigation VHF, les centrales inertielles. Ce module communique avec les dispositifs de géolocalisation ;
- Plan de vol (FPLN) (102), pour saisir les éléments géographiques constituant le squelette de la route à suivre, tels que les points imposés par les procédures de départ et d’arrivée, les points de cheminement, les routes aériennes (« airways » selon la dénomination anglo-saxonne) ;
- Base de données de navigation (NAVDB) (103), pour construire des routes géographiques et des procédures à partir de données incluses dans les bases relatives aux points, balises, legs d’interception ou d’altitude ;
- Base de données de performance, (PERFDB) (104), contenant des paramètres de performances aérodynamiques et moteurs de l’appareil ;
- Trajectoire (TRAJ) (105), pour construire, calculer une trajectoire 4D optimisée et continue, à partir des points du plan de vol et des contraintes associées, respectant les performances de l'aéronef et les contraintes de confinement (RNP) ;
- Prédictions (PRED) (106), pour fournir les prédictions (altitude, temps, fuel) sur tous les points du plan de vol ;
- Guidage (GUID) (107), pour fournir des commandes permettant de guider l’aéronef le long du plan latéral, du profil vertical et du profil de vitesse ;
- Liaison de données numériques (DATALINK) (108) pour communiquer avec les centres de contrôle et les autres aéronefs (109).
Les étapes du procédé de l’invention sont exécutées dans un module dédié (140) couplé aux modules du FMS et de l’IHM, qui comprend des composants configurés pour réaliser les calculs requis.
Dans un autre mode d’implémentation, le procédé de l’invention est porté par une partition d’une plateforme matérielle spécifique à l’avionique mais différente de celle du FMS, comme par exemple un dispositif de type « Electronic Flight Bag » (EFB).
La illustre les étapes générales du procédé de l’invention dans un mode de réalisation.
Le procédé 200 d’aide au guidage d’aéronef selon l’invention, opère pour un aéronef en vol dans un mode de guidage en cours, tel que le mode « Managed » par exemple, et ayant une trajectoire de référence planifiée.
Le procédé est mis en œuvre par une plateforme de calcul (i.e. ordinateur) pour aéronef. A titre d'exemple d'architecture matérielle adaptée à mettre en œuvre l'invention, un dispositif peut comporter un bus de communication auquel sont reliés une unité centrale de traitement ou microprocesseur (CPU, acronyme de « Central Processing Unit » en anglais), lequel processeur peut être "multi-core" ou "many-core"; une mémoire morte (ROM, acronyme de « Read OnIy Memory » en anglais) pouvant comporter les programmes nécessaires à la mise en œuvre de l'invention; une mémoire vive ou mémoire cache (RAM, acronyme de « Random Access Memory » en anglais) comportant des registres adaptés à enregistrer des variables et paramètres créés et modifiés au cours de l'exécution des programmes précités ; et une interface de communication ou E/S (I/O acronyme de « Input/ouput » en anglais) adaptée à transmettre et à recevoir des données. Dans le cas où l'invention est implantée sur une machine de calcul reprogrammable (par exemple un circuit FPGA), le programme correspondant (c'est-à-dire la séquence d'instructions) peut être stocké dans ou sur un médium de stockage amovible (par exemple une carte SD, ou un stockage de masse tel que un disque dur e.g. un SSD) ou non-amovible, volatile ou non-volatile, ce médium de stockage étant lisible partiellement ou totalement par un ordinateur ou un processeur. La référence à un programme d'ordinateur qui, lorsqu'il est exécuté, effectue l'une quelconque des fonctions décrites précédemment, ne se limite pas à un programme d'application s'exécutant sur un ordinateur hôte unique. Au contraire, les termes programme d'ordinateur et logiciel sont utilisés ici dans un sens général pour faire référence à tout type de code informatique (par exemple, un logiciel d'application, un micro logiciel, un microcode, ou toute autre forme d'instruction d'ordinateur, comme des web services ou SOA ou via des interfaces de programmation API) qui peut être utilisé pour programmer un ou plusieurs processeurs pour mettre en œuvre des aspects des techniques décrites ici. Les moyens ou ressources informatiques peuvent notamment être distribués ("Cloud computing"), éventuellement avec ou selon des technologies de pair-à-pair et/ou de virtualisation. Le code logiciel peut être exécuté sur n'importe quel processeur approprié (par exemple, un microprocesseur) ou cœur de processeur ou un ensemble de processeurs, qu'ils soient prévus dans un dispositif de calcul unique ou répartis entre plusieurs dispositifs de calcul. Des technologies de sécurisation (crypto-processeurs, authentification éventuellement biométrique, chiffrement, carte à puce, etc) peuvent être utilisées.
Dans une première étape 202, le procédé permet l’acquisition de plusieurs types de variables courantes caractérisant l’état courant de l’aéronef en vol, son environnement et son contexte, et notamment :
- des variables d’état comprenant au moins la situation courante de l’aéronef comme sa position, son roulis, sa vitesse, son altitude ;
- des variables d’environnement comprenant au moins la météo courante autour de l’aéronef ;
- des variables de trajectoire caractérisant la trajectoire en cours de l’aéronef comme : le segment courbe permettant de réaliser le prochain changement de direction, le roulis maximal de l’aéronef et au besoin les évolutions verticales planifiées en terme de vitesse ou d’altitude.
- des variables d’état comprenant au moins la situation courante de l’aéronef comme sa position, son roulis, sa vitesse, son altitude ;
- des variables d’environnement comprenant au moins la météo courante autour de l’aéronef ;
- des variables de trajectoire caractérisant la trajectoire en cours de l’aéronef comme : le segment courbe permettant de réaliser le prochain changement de direction, le roulis maximal de l’aéronef et au besoin les évolutions verticales planifiées en terme de vitesse ou d’altitude.
Dans une étape suivante 204, le procédé permet de calculer un corridor de sécurité autour de la trajectoire de référence de l’aéronef en vol. La illustre un exemple de trajectoire de référence d’un aéronef, et la illustre un exemple de trajectoire de référence d’un aéronef avec un corridor latéral de sécurité de largeur fixe par segment de route (généralement la valeur RNP) centré sur la trajectoire nominale et assorti de zones de protection spécifiques pour les transitions de virage, tel que défini par exemple selon la norme Doc 8168 PANS-OPS de l’OACI.
Dans un mode de réalisation, le corridor est calculé sur plusieurs seuils prédéfinis, généralement un pour chaque segment de route tel que défini dans la base de données de navigation ou bien modifié par le pilote, pour au moins un axe de surveillance de l’aéronef. Un axe de surveillance peut être l’axe latéral (les seuils dépendants alors de l’exigence de performance de navigation RNP, valant entre 0,1 jusque 10 NM), l’axe vertical (la valeur de seuil variant par exemple de 150 à 260 pieds selon la norme RTCA DO283B), l’axe de vitesse (la valeur de seuil pouvant être 5 ou 10 KT selon la même norme ou encore un pourcentage de la vitesse, par exemple 10%), l’axe de temps (la valeur de seuil pouvant être 10 ou 30 secondes selon la même norme ou 60 secondes selon l’usage actuel), ou encore l’axe de consommation de carburant (il n’y a pas de valeur de seuil prédéfinie à ce jour, mais un pourcentage de 1% correspond à la situation actuelle).
Dans une variante de réalisation, l’étape de calcul d’un corridor de sécurité consiste à calculer un corridor multidimensionnel de sécurité pour au moins deux axes de surveillance, mais pouvant être calculé pour les cinq axes de surveillance de l’aéronef, i.e. l’axe latéral, l’axe vertical, l’axe de vitesse, l’axe de temps, l’axe de consommation de carburant.
L’étape de calcul d’un corridor multidimensionnel de sécurité consiste généralement à calculer à partir d’un ou de plusieurs seuils prédéfinis pour chaque axe de surveillance, un seuil unique dit seuil multidimensionnel qui est obtenu à partir de pondérations variables appliquées aux seuils de chacun des axes de surveillance pris en compte. Un tel corridor multidimensionnel sera par exemple un corridor 3D où le seuil multidimensionnel pourra être soit la somme des seuils sur chaque axe, soit la somme quadratique de ces seuils, en considérant des pondérations identiques. Un autre exemple de corridor multidimensionnel tenant compte de contrainte de temps, prendra la somme des seuils ci-dessus selon une pondération 1, tandis que le seuil sur l’axe temporel sera affecté d’une pondération plus faible (exprimant la moindre priorité de la contrainte de temps sur les autres contraintes de corridor 3D).
Dans une étape suivante 206, le procédé permet de faire un calcul en temps réel de la trajectoire à court terme de l’aéronef (i.e. la trajectoire réelle prédite immédiate sur une fenêtre temporelle allant de quelques secondes à quelques minutes), prenant en compte les différentes variables courantes préalablement relevées et le mode de guidage de l’aéronef.
Avantageusement, le calcul de la trajectoire réelle prédite immédiate met en œuvre un algorithme de type « prédictions propagé vers l’avant » ou « predictions forward » selon l’anglicisme connu.
Ce mode de calcul par anticipation sur le court terme, utilise la propagation des variables courantes d’un vecteur d’état avion, selon un propagateur utilisant le mode de guidage courant, la trajectoire de référence courante incluant les contraintes courantes de route, d’altitude et de vitesse ou de poussée, ainsi que les variables d’environnement locales (issues de capteurs avion).
Les variables d’environnement sont issues d’un « blending » entre la situation courante enregistrée par les capteurs avion et la situation prédite, fournis par les organismes de prévision météo et rentrés sur les points (par le pilote).
Le « blending » est défini comme étant une corrélation linéaire classique selon la distance entre un point de départ (ici l’avion) et un point d’arrivée (ici le prochain point de passage « waypoint »), par laquelle la variable est proportionnelle aux valeurs d’extrémité du segment selon la distance relative sur ce segment.
En d’autre termes plus mathématiques, en prenant V0 et D0, une valeur et une distance à un instant 0, et (VF, DF) respectivement une valeur au point de distance F, la valeur en une distance ‘d’ entre D0 et DF vaut :
V = V0+(VF-V0/(DF-D0)*(d-D0).
V = V0+(VF-V0/(DF-D0)*(d-D0).
Ceci est une opération de « blending » selon une loi du 1er ordre. Cependant, il est possible de faire une autre variation linéaire.
A la différence et en opposition, les prédictions long terme, que l’on dit calculées « backward », calculent les prédictions à rebours à partir de la route et des contraintes du profil vertical ainsi que des prévisions météo long terme (qui sont insérées jusqu’à intercepter le vecteur d’état avion). Elles n’utilisent pas de « blending ».
Les prédictions backward sont figées, en descente elles deviennent le profil de référence, tandis que les predictions « forward » continuent d’être calculées.
La illustre un exemple d’une trajectoire réelle prédite immédiate où il est reporté (flèche blanche) une prédiction de franchissement de la vitesse limite autorisée par la procédure.
Dans une étape suivante 208, le procédé permet de prendre en compte et combiner les différentes données de la trajectoire de référence, de la trajectoire réelle prédite immédiate et du corridor de sécurité pour configurer un affichage en superposition sur un même écran de l’aéronef.
La illustre un exemple d’affichage en superposition d’une trajectoire immédiate réelle prédite avec une trajectoire de référence, et la illustre un exemple d’affichage en superposition d’une trajectoire immédiate réelle prédite avec le corridor latéral de sécurité d’une trajectoire de référence.
L’exemple choisi des figures 3a à 3e pour illustrer un affichage en superposition montre aussi une zone interdite au survol 310, où sur la le pilote peut très facilement et très clairement appréhender par la vision de la trajectoire réelle prédite immédiate, qu’elle emmènerait l’avion au-dessus de la zone interdite au survol. Un tel survol inattendu d’une zone non pénétrable 310 peut se produire dans des cas de survitesse de l’aéronef en descente par exemple. Cette survitesse peut notamment être engendrée par un franchissement tardif (par rapport à l’esprit de la procédure papier) de la vitesse limite, qui lui-même est induit par une mise en descente tardive de l’appareil.
Le procédé de l’invention peut comprendre une étape d’analyse de la trajectoire réelle prédite immédiate par rapport à une zone de survol dangereuse ou interdite, et l’étape de configuration permet de plus d’afficher la zone de survol dangereuse ou interdite et d’afficher tout écart de la trajectoire réelle prédite immédiate avec la trajectoire de référence, pouvant entrainer un risque de rencontre de l’aéronef en vol avec la zone de survol dangereuse ou interdite.
L’étape de configuration d’affichage en superposition 208, peut permettre de plus d’afficher tout écart de la trajectoire réelle prédite immédiate avec la trajectoire de référence pour un ou plusieurs axes de surveillance. Le procédé permet alors de plus, de faire une comparaison des valeurs des données relatives à chaque axe de surveillance, de la trajectoire réelle prédite immédiate et de la trajectoire de référence.
L’étape de configuration 208 peut dans une variante de réalisation, comprendre une étape d’analyse des données relatives à un ou plusieurs axes de surveillance de la trajectoire réelle prédite immédiate de l’aéronef en vol, et des données d’une trajectoire de référence d’un autre aéronef identifié, et permettre d’afficher en superposition, la trajectoire de référence d’un autre aéronef identifié avec sa zone de confinement ainsi qu’afficher tout écart de la trajectoire réelle prédite immédiate de l’aéronef en vol avec la trajectoire de référence pouvant entrainer un risque de rencontre dudit aéronef en vol avec l’autre aéronef identifié.
La illustre un exemple d’affichage en superposition de plusieurs trajectoires (trajectoire de référence de l’aéronef en vol ; trajectoire prédite réelle immédiate de l’aéronef en vol) et de zones de confinement (zone pour la trajectoire de référence de l’aéronef en vol ; zone pour la trajectoire de référence d’un autre aéronef). L’affichage de la permet de visualiser différentes prédictions de risques, par exemple pour deux aéronefs opérant sur des approches parallèles sur le même aéroport :
- 1ercas : Risque d’excursion hors du corridor de sécurité pour l’aéronef en vol ;
- 2èm ecas : Risque de rapprochement dangereux de l’aéronef en vol avec l’autre aéronef, l’autre aéronef pouvant être détecté par une alerte TCAS de rapprochement avec un aéronef identifié, ou par la réception d’informations par un système de surveillance coopératif comme le ADS-B pour « Automatic dependent surveillance-broadcast » ;
- 3èmecas : Risque d’intrusion de l’aéronef en vol dans la zone de confinement de l’autre aéronef, dont la trajectoire planifiée peut être connue de l’aéronef en vol par un système de type ADS-B par exemple.
- 1ercas : Risque d’excursion hors du corridor de sécurité pour l’aéronef en vol ;
- 2èm ecas : Risque de rapprochement dangereux de l’aéronef en vol avec l’autre aéronef, l’autre aéronef pouvant être détecté par une alerte TCAS de rapprochement avec un aéronef identifié, ou par la réception d’informations par un système de surveillance coopératif comme le ADS-B pour « Automatic dependent surveillance-broadcast » ;
- 3èmecas : Risque d’intrusion de l’aéronef en vol dans la zone de confinement de l’autre aéronef, dont la trajectoire planifiée peut être connue de l’aéronef en vol par un système de type ADS-B par exemple.
Selon des modes d’implémentation et selon l’interface homme-machine sur lequel est fait l’affichage, les trajectoires peuvent être différenciées par un code couleur spécifique. De la même manière, en cas d’excursion hors du corridor de sécurité, la portion de la trajectoire réelle prédite qui sort de la zone de sécurité peut être mise en valeur visuellement par un code couleur spécifique ou par une signalétique appropriée (clignotement par exemple). L’homme de l’art comprend que l’étape de configuration des données peut être adaptée selon les applications, que ce soit pour prendre en compte le type d’aéronef ou la nature de la déviation de trajectoire apportant un risque à signaler au pilote.
Dans un mode de réalisation, l’étape de configuration 208 permet de plus de configurer une alerte de la survenue à court ou moyen terme d’une rencontre (i.e. d’une intersection) entre la trajectoire réelle prédite de l’aéronef en vol et son corridor de sécurité ou de la survenue d’une excursion plus importante hors du corridor de sécurité, si la combinaison des données de calcul de trajectoire et de corridor de sécurité analyse un risque de rencontre à court ou moyen terme de ladite trajectoire réelle prédite immédiate avec ledit corridor de sécurité.
Avantageusement, et contrairement aux systèmes connus d’alerte d’impact ou de collision, l’alerte générée par le procédé de l’invention est de type alerte préventive, i.e. alerte d’anticipation qui permettre au pilote d’entamer une action réactive immédiate et appropriée.
Revenant sur la , celle-ci illustre sur l’affichage superposé, une symbolique d’alerte à l’attention du pilote, montrant dans l’exemple choisi, une première alerte « Alert 1 » indiquant par anticipation l’endroit sur la trajectoire prédite immédiate où la vitesse prédite dépassera la contrainte de vitesse limite, compte-tenu du seuil de vitesse défini, et montrant une deuxième alerte « Alert 2 » indiquant par anticipation l’endroit sur la trajectoire prédite réelle immédiate, de la position prédite de l’avion qui sera en excursion hors de la zone de sécurité.
Dans une étape optionnelle, le procédé peut générer après l’étape de configuration d’affichage superposé 208, une étape de déclenchement d’une alerte sonore et/ou d’envoi au pilote et/ou au copilote d’un message alerte.
Dans une étape optionnelle, en cas d’excursion excessive par rapport à la procédure, le procédé de l’invention permet d’envoyer la trajectoire réelle prédite immédiate qui est calculée par « predictions forward » à un système externe pour anticiper un problème terrain, par exemple l’envoyer à un système de type TAWS stratégique (en opposition au TAWS tactique actuel).
Il a été ainsi décrit des modes de réalisation du dispositif et du procédé d’aide à la gestion de vol selon l’invention. L’homme du métier peut appliquer des variantes de réalisation sur la base des principes décrits.
Le dispositif et le procédé de l’invention apportent des avantages pour le pilote dans la gestion du vol sur au moins trois aspects :
- Lui donner une meilleure conscience de ce qu’il fait, avec moins d’efforts pour challenger la trajectoire calculée par le FMS versus la trajectoire de référence de la procédure. Cela libère d’une charge de travail et charge mentale qu’il peut basculer sur d’autres activités inhérentes à sa fonction.
- Lui amener une meilleure lisibilité de la trajectoire. Il est en effet, actuellement difficile pour le pilote quand le mode de guidage n’est pas intégralement en mode « MANAGED » de comprendre quelles sont les hypothèses prises par le FMS pour le calcul et l’affichage de la trajectoire (mise en descente, changement de vitesse, …). L’affichage en superposition proposé par l’invention accroit ainsi la confiance que peut avoir le pilote dans le système et peut permettre d’éviter des situations de stress inutiles.
- Lui fournir une fonction d’alerte préventive. Si la trajectoire devient non sécurisée ou si elle dévie trop de la planification (avec un risque de sortie du corridor, un conflit avec un autre trafic ou avec le terrain), une alerte peut être levée au pilote par anticipation, le prévenant alors immédiatement d’une action qu’il peut être à mener sur son appareil.
Claims (14)
- Procédé (200) d’aide au guidage d’aéronef pour un aéronef en vol dans un mode de guidage en cours et ayant une trajectoire de référence planifiée pour un plan de vol, le procédé étant opéré par une plateforme de calcul pour aéronef et comprenant au moins :
- une étape (202) d’acquisition de variables courantes d’un aéronef en vol, les dites variables courantes comprenant au moins des variables d'état caractérisant l’état courant de l’aéronef, des variables d'environnement caractérisant l’environnement courant de l’aéronef et des variables de trajectoire caractérisant la trajectoire en cours de l’aéronef;
- une étape (204) de calcul d’un corridor de sécurité autour de la trajectoire de référence de l’aéronef, ledit corridor de sécurité étant calculé sur plusieurs seuils prédéfinis pour au moins un axe de surveillance de l’aéronef, ledit au moins un axe de surveillance étant un axe latéral, un axe vertical, un axe de vitesse, un axe de temps ou un axe de consommation de carburant ;
- une étape (206) de calcul de trajectoire réelle prédite immédiate, utilisant les dites variables courantes acquises et le mode de guidage en cours de l’aéronef, et basée sur un mode de calcul dit propagé vers l’avant du vol permettant de calculer des prédictions court terme; et
- une étape de configuration (208) permettant de combiner les données de calcul de trajectoire et de corridor de sécurité, pour afficher en superposition sur un même écran de l’aéronef, la trajectoire de référence de l’aéronef en vol, ladite trajectoire réelle prédite immédiate et/ou ledit corridor de sécurité. - Le procédé selon la revendication 1 comprenant de plus après l’étape de configuration, une étape de génération d’une alerte préventive, si à l’étape de configuration, la combinaison des données de calcul de trajectoire et de corridor de sécurité analyse un risque de rencontre à court ou moyen terme de ladite trajectoire réelle prédite immédiate avec ledit corridor de sécurité.
- Le procédé selon la revendication 1 ou 2 comprenant avant l’étape de configuration, une étape de comparaison de ladite trajectoire réelle prédite immédiate avec la trajectoire de référence pour ledit au moins un axe de surveillance, et dans lequel l’étape de configuration permet de plus d’afficher tout écart de ladite trajectoire réelle prédite immédiate avec la trajectoire de référence pour ledit au moins un axe de surveillance de l’aéronef.
- Le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 comprenant avant l’étape de configuration, une étape d’analyse de ladite trajectoire réelle prédite immédiate par rapport à une trajectoire de référence d’un autre aéronef identifié, pour ledit au moins un axe de surveillance, et dans lequel l’étape de configuration permet de plus de combiner les données relatives à la trajectoire de référence de l’autre aéronef identifié et à sa zone de confinement, et d’afficher tout écart de ladite trajectoire réelle prédite immédiate de l’aéronef en vol avec la trajectoire de référence, pour ledit au moins un axe de surveillance, pouvant entrainer un risque de rencontre dudit aéronef en vol avec l’autre aéronef identifié.
- Le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 comprenant avant l’étape de configuration, une étape d’analyse pour ledit au moins un axe de surveillance, de la trajectoire réelle prédite immédiate par rapport à une zone de survol dangereuse ou interdite, et dans lequel l’étape de configuration permet de plus d’afficher la zone de survol dangereuse ou interdite et d’afficher tout écart de la trajectoire réelle prédite immédiate avec la trajectoire de référence pour ledit au moins un axe de surveillance, pouvant entrainer un risque de rencontre dudit aéronef en vol avec la zone de survol dangereuse ou interdite.
- Le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel l’étape de calcul d’un corridor de sécurité consiste à calculer un corridor multidimensionnel de sécurité pour deux à cinq axes de surveillance de l’aéronef en vol, notamment un axe latéral et/ou un axe vertical et/ou un axe de vitesse et/ou un axe de temps et/ou un axe de consommation de carburant.
- Le procédé selon la revendication 6 dans lequel l’étape de calcul d’un corridor multidimensionnel de sécurité consiste à calculer à partir d’un ou de plusieurs seuils prédéfinis pour chaque axe de surveillance, un seuil multidimensionnel avec des pondérations variables pour chacun des axes de surveillance considérés pour le corridor multidimensionnel de sécurité.
- Le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 comprenant de plus après l’étape de configuration, une étape d’envoi d’une alerte au pilote.
- Un produit programme d’ordinateur, ledit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code permettant d’effectuer les étapes du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur.
- Un dispositif d’aide au guidage d’aéronef comprenant au moins une plateforme de calcul pour aéronef permettant de mettre en œuvre les étapes du procédé d’aide au guidage d’aéronef selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.
- Le dispositif selon la revendication 10 comprenant de plus un écran d’affichage pour afficher le résultat de l’étape de configuration de l’une quelconque des revendications 1 à 8.
- Le dispositif selon la revendication 10 ou la revendication 11 comprenant de plus des moyens sonores pour émettre une alerte selon le résultat de l’étape de configuration de l’une quelconque des revendications 1 à 8.
- Le dispositif selon l’une quelconque des revendications 10 à 12 comprenant de plus des moyens de communication pour transmettre vers un système externe à l’aéronef en vol, le résultat de l’étape de configuration de l’une quelconque des revendications 1 à 8.
- Un système de gestion de vol ou FMS ou un système de calcul embarqué de type EFB comprenant un dispositif d’aide au guidage d’aéronef selon l’une quelconque des revendications 10 à 13.
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